Исследователи впервые показали, что переохлажденная вода на самом деле состоит из двух жидкостей с разной плотностью. Эта вода не замерзает даже при охлаждении до температуры значительно ниже нуля. Два состояния этой водной формы делают ее еще более экзотической и могут объяснить некоторые ее необычные свойства.
Вода покрывает более двух третей нашей планеты и образует основной материал человеческого тела: вода является основным материалом, который делает возможной жизнь на Земле. Он вездесущ и все же хранит много тайн. Науке сегодня известно более 60 свойств, которыми вода отличается практически от всех других жидкостей. В то время как почти все твердые тела погибают в собственном таянии, лед плавает на поверхности воды. Его температура замерзания составляет около нуля градусов по Цельсию, но особенно чистая вода может быть охлаждена до температуры значительно ниже, не замерзая. Это состояние называется переохлаждением. «Чем глубже он переохлажден, тем более выраженными становятся его аномальные свойства», - объясняет руководитель исследования Томас Лёртинг из Института физической химии Университета Инсбрука..
Уже в 1980-х годах предполагалось, что вода при очень низких температурах может состоять из двух разных жидкостей. Однако долгое время эта теория оставалась крайне спорной, поскольку не поддавалась прямой проверке на практике. «Переохлажденная вода имеет сильную склонность к кристаллизации, и поэтому ее очень трудно изучать», - объясняет физико-химик Лёртинг. Однако исследование аморфного льда дало важную информацию. Она не состоит из кристаллов льда, но сохраняет молекулярную структуру жидкой формы – вода твердая, но не замерзшая.
Две разные плотности в аморфном льду
«Оказалось, что существуют две разные формы твердой воды - или аморфного льда - в зависимости от атмосферного давления: одна с низкой плотностью, а другая с высокой плотностью», - говорит Лёртинг. Таким образом, предположение было очевидным, что в жидкой фазе также присутствуют две жидкости с различной плотностью. Лёртинг и его команда впервые продемонстрировали это экспериментально, превратив аморфный лед в жидкость под высоким давлением с образованием переохлажденной воды. «При давлении от 1000 до 2000 бар вода сжижается при температуре от -138 до -133 градусов по Цельсию», - говорит Лёртинг. Поскольку вода охлаждается в небольшом цилиндре под прессом высокого давления, этот переход нельзя наблюдать напрямую.
Вместо этого исследователи наблюдали, сколько времени требуется воде высокой плотности, чтобы достичь равновесия при определенной температуре и войти в состояние покоя. Вещества считаются жидкими, если это происходит в течение 100 секунд. Хотя при -163°C это занимает много дней, при -138°C это занимает всего несколько минут. «Этот фазовый переход ранее никто не измерял напрямую. Вместе с предыдущими результатами это дает нам четкое указание на существование двух разных жидкостей воды», - говорит Лёртинг. Эти данные эксперимента согласуются с теоретическими расчетами.
В прошлом году исследователи из Инсбрука экспериментально произвели две жидкости, а затем снова заморозили их. «Формы с низкой и высокой плотностью ведут себя как вода и масло. Они разделяются и образуют два слоя», - говорит Лёртинг, объясняя эксперимент. Ученые извлекли замороженный образец из цилиндра под давлением и отделили две ледяные формы друг от друга. «При более высоких температурах форма льда с высокой плотностью расширяется и переходит в форму с низкой плотностью, - говорит химик, - еще одно свидетельство существования двух жидких форм воды.“